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汽車(chē)設(shè)計(jì)中最重要的是安全性，因此設(shè)計(jì)人員需要增加更多的傳感器和輔助駕駛系統(tǒng)。難點(diǎn)是盡管溫度和濕度波動(dòng)很大并且存在振動(dòng)和電磁兼容性問(wèn)題，但這些系統(tǒng)需要一個(gè)通用接口，并且必須能夠可靠地通信，實(shí)現(xiàn)零錯(cuò)誤。
對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，不妨了解符合外設(shè)傳感器接口 (PSI5) 要求的基于傳感器的解決方案。這是一種堅(jiān)固的抗干擾接口，最初用于安全氣囊系統(tǒng)，但現(xiàn)在正越來(lái)越多地用于新的傳感器密集型汽車(chē)應(yīng)用。
本文將先介紹 PSI5 總線，然后介紹和描述多種 PSI5 系統(tǒng)解決方案以及如何使用它們來(lái)配置基于傳感器的控制系統(tǒng)。
外設(shè)傳感器接口 (PSI5)
PSI5 接口用于將多個(gè)傳感器連接到電子控制單元 (ECU)，已廣泛用作安全氣囊和相關(guān)約束系統(tǒng)的主要傳感器通信總線。它是 PSI5 組織網(wǎng)站 PSI5.org 上提供的一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。最新的規(guī)范是 PSI5 版本 2.3，已作為所有子標(biāo)準(zhǔn)（包含用于安全氣囊、底盤(pán)和安全控制以及傳動(dòng)系統(tǒng)的子標(biāo)準(zhǔn)）的一項(xiàng)通用基本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。
PSI5 標(biāo)準(zhǔn)以?xún)删€（雙絞線）總線實(shí)施，數(shù)據(jù)傳輸采用電流調(diào)制和曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率為 125 kbps（可選 189 kbps）。與其他常見(jiàn)汽車(chē)數(shù)據(jù)總線相比，它屬于中速接口（表 1）。
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表 1：常見(jiàn)汽車(chē)數(shù)據(jù)總線的比較。PSI5 屬于中速接口。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Digi-Key Electronics）
PSI5 在中速范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)在于成本比 CAN 或 FlexRay 更低，但具有與傳感器數(shù)據(jù)兼容的數(shù)據(jù)速率。SENT 數(shù)據(jù)總線也用于傳感器數(shù)據(jù)傳輸，但其限制在于僅能將數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到電子控制單元 (ECU)。PSI5 為雙向，允許傳感器尋址和配置。
PSI5 在汽車(chē) ECU 中的典型實(shí)施包括饋送多個(gè)接口的微控制器（圖 1）。
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圖 1：汽車(chē)微控制器 ECU 的框圖，包括用于常見(jiàn)汽車(chē)數(shù)據(jù)總線（含 PSI5）的 I/O 端口。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）。
圖 1 中微控制器右側(cè)方框顯示了支持的 I/O 端口。其中包括以太網(wǎng)、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN)、本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN)、FlexRay 汽車(chē)通信總線，以及單邊緣漸進(jìn)傳輸 (SENT) 和 PSI5 傳感器接口。這些汽車(chē) ECU 高度集成并可包括三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的傳感器測(cè)量。
PSI5 物理層
ECU 使用兩根電線連接到傳感器。與使用三根或更多根電線的其他總線相比，使用兩線雙絞線降低了實(shí)施成本。相同的兩根電線用于電力和數(shù)據(jù)傳輸。ECU 可使用集成或單獨(dú)的 PSI5 收發(fā)器向傳感器提供穩(wěn)壓，并讀取其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)使用曼徹斯特編碼的電流調(diào)制傳輸?shù)?ECU（圖 2）。
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圖 2：PSI5 接口的曼徹斯特編碼在位時(shí)間間隔中間使用電流轉(zhuǎn)換。Teledyne LeCroy 型號(hào)為 HDO4104A 的數(shù)字示波器提供可選的曼徹斯特解碼器。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
通過(guò)使電流從基準(zhǔn)電平（傳感器標(biāo)稱(chēng)靜態(tài)電流）變?yōu)樽罡唠娖?，?shí)現(xiàn)從傳感器傳輸數(shù)據(jù)。此示例中的電流具有 10 毫安 (mA) 的基準(zhǔn)電平和 40 mA 的最高電平，增量為 30mA。
曼徹斯特編碼在位時(shí)間間隔的中間利用電流轉(zhuǎn)換。在 PSI5 收發(fā)器內(nèi)檢測(cè)電流調(diào)制，其中正斜率表示為邏輯“0”，負(fù)斜率表示為邏輯“1”。在圖中，位時(shí)間間隔由垂直光標(biāo)標(biāo)記。帶有可選曼徹斯特解碼器的 Teledyne LeCroy 型號(hào) HDO4101A 示波器將 PSI5 數(shù)據(jù)包分成十三個(gè)位時(shí)間，由垂直藍(lán)線表示。位時(shí)間間隔中間的電流轉(zhuǎn)換表示數(shù)據(jù)值，由示波器在轉(zhuǎn)換時(shí)打印。
ECU 使用電壓調(diào)制與 PSI5 傳感器通信。該方法用于同步來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。
當(dāng)單個(gè)傳感器連接到 ECU 時(shí)，該傳感器控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序和重復(fù)率。如果連接了多個(gè)傳感器，則 ECU 控制同步和數(shù)據(jù)傳輸。多個(gè)傳感器可以并聯(lián)或通過(guò)總線配置連接，也可以通過(guò)一系列傳感器進(jìn)行“菊花鏈連接”。本文稍后會(huì)更詳細(xì)地討論這些配置。
數(shù)據(jù)鏈路層
PSI5 數(shù)據(jù)幀提供了極大的靈活性（圖 3）。除了具有三個(gè)主要組件的基本結(jié)構(gòu)外，還存在一個(gè)擴(kuò)展功能結(jié)構(gòu)。
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圖 3：PSI5 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)顯示數(shù)據(jù)有效載荷區(qū)域中的基本區(qū)段和擴(kuò)展區(qū)段。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
基本結(jié)構(gòu)包含以下必需元素：
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- 一個(gè)起始位字段，包含總是編碼為“00”的兩個(gè)位。
- 一個(gè)具有效載荷的數(shù)據(jù)字段，包含指定為 D0 到 D27 的從 10 位到 28 位的任何值。
- 一個(gè)糾錯(cuò)段，支持一個(gè)奇偶校驗(yàn)位 P 和三位循環(huán)冗余檢查 (CDC)，C0 到 C2。
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擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括控制、消息傳送和狀態(tài)數(shù)據(jù)，總結(jié)見(jiàn)表 2。
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表 2：具有子字段的附加 PSI5 數(shù)據(jù)包可選字段提供更多靈活性。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Digi-Key Electronics）
PSI5 系統(tǒng)
NXP Semiconductors RDAIRBAGPSI5-001 是汽車(chē)安全氣囊控制系統(tǒng)的一種參考設(shè)計(jì)，顯示了基于 PSI5 的傳感器設(shè)計(jì)中的元素（圖 4）。
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圖 4：NXP Semiconductors 安全氣囊參考平臺(tái)設(shè)計(jì)的框圖顯示了基于 PSI5 的傳感器接口的元素。（圖片來(lái)源：NXP Semiconductors）
該參考設(shè)計(jì)使用 NXP PSI5 收發(fā)器 ASSP 作為傳感器和微控制器之間的接口。ASSP 是一種混合模式（模擬/數(shù)字）設(shè)備，可處理多種約束系統(tǒng)相關(guān)功能。在傳感器方面，它最多支持四個(gè)傳感器通道，提供電源和控制。
PSI5 傳感器
加速、溫度和壓力傳感器在車(chē)輛中應(yīng)用很普遍。與安全氣囊系統(tǒng)相關(guān)的傳感器主要是加速計(jì)。ECU 附近通常有一個(gè)本地加速計(jì)。在車(chē)輛四周還有多個(gè)加速計(jì)，稱(chēng)為衛(wèi)星傳感器。安全氣囊 ECU 使用來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)確保故障保護(hù)性能。如果衛(wèi)星傳感器檢測(cè)到減速，ECU 還會(huì)輪詢(xún)本地加速計(jì)以驗(yàn)證是否存在“碰撞”事件，而并非加速計(jì)故障。
典型的安全氣囊加速計(jì)是單軸傳感器，適用于汽車(chē)應(yīng)用，可配置的傳感器范圍為 ±30 g 至 ±480 g，量程因素為 2。它支持 PSI5 直接連接，以及同步并行和菊花鏈雙向通信。這些加速計(jì)可用于前端或側(cè)面碰撞感應(yīng)、沖擊和振動(dòng)檢測(cè)或行人碰撞感應(yīng)。
PSI5 傳感器連接拓?fù)?/h2>
使用加速計(jì)時(shí)，PSI5 提供了幾種將其連接到 ECU 的方法（圖 5）。
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圖 5：PSI5 支持的四種不同傳感器連接拓?fù)涞氖纠?，可供需要連接加速計(jì)的設(shè)計(jì)人員使用。在所有情況下，ECU 通過(guò) PSI5 收發(fā)器為傳感器供電并讀取傳感器數(shù)據(jù)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
該圖顯示了 PSI5 支持的四種 ECU 與傳感器可能的連接方式。在所有情況下，ECU 通過(guò) PSI5 收發(fā)器為傳感器供電并讀取傳感器數(shù)據(jù)。在同步拓?fù)渲校珽CU 還控制傳感器。圖 6 中的時(shí)序圖有助于說(shuō)明各種操作模式之間的差異。
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圖 6：四種 PSI5 連接拓?fù)涞臅r(shí)序有簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和較復(fù)雜的同步并行等。同步模式中的時(shí)序由 ECU 使用電壓調(diào)制同步脈沖啟動(dòng)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）
連接加速計(jì)的最簡(jiǎn)單方法是使用直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。在該模式中，ECU 為周期性傳輸數(shù)據(jù)的傳感器供電。數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序和重復(fù)率由傳感器控制。
當(dāng)包含多個(gè)傳感器（例如，同一封裝中的溫度、壓力或多軸加速傳感器）的傳感器集群直接連接時(shí)，則為與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接相關(guān)的多通道集群模式。該連接能夠以同步或異步時(shí)序模式實(shí)現(xiàn)。來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)可以被多路復(fù)用，或者如此處所示，合并成同一數(shù)據(jù)包內(nèi)的兩個(gè)不同數(shù)據(jù)段。
同步模式中的時(shí)序由 ECU 使用電壓調(diào)制同步脈沖啟動(dòng)。
并行連接將每個(gè)傳感器分布于總線上。通過(guò)來(lái)自 ECU 的同步信號(hào)開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸。然后，每個(gè)傳感器按其相應(yīng)的指定時(shí)隙發(fā)送其數(shù)據(jù)。
在菊花鏈配置中，傳感器沒(méi)有固定地址，可以連接到總線上的任意位置。在啟動(dòng)期間，每個(gè)傳感器接收單獨(dú)的地址，然后將電源電壓傳遞給后續(xù)傳感器。從 ECU 到傳感器的雙向通信使用稱(chēng)為尋址序列的特定同步信號(hào)模式來(lái)完成尋址。在分配了各個(gè)地址之后，傳感器響應(yīng) ECU 產(chǎn)生的同步脈沖，開(kāi)始按其相應(yīng)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。
總結(jié)
設(shè)計(jì)人員需要在車(chē)輛上增加更多傳感器以提高車(chē)輛的安全性。如本文所述，PSI5 總線為連接多個(gè)傳感器提供了一種高度可靠且可互操作的方法，此方法在物理配置和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)方面均具有靈活性。
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評(píng)論